水利工程設(shè)計(jì)中的滲流計(jì)算方法分析

摘要：滲流是水在土壤孔隙中的運(yùn)動(dòng)，而土壤孔隙的形狀、大小和分布是極為復(fù)雜的，具有隨機(jī)性質(zhì)。但在實(shí)際工程上，并不需要了解具體孔隙中的滲流情況，而是采用某種統(tǒng)計(jì)平均值來描述滲流，即用簡化了的滲流模型來代替實(shí)際的滲流。在水利工程設(shè)計(jì)的過程中最常應(yīng)用的就是滲流計(jì)算。本文通過分析滲流計(jì)算的目的與理論，深入了解水利工程設(shè)計(jì)中的滲流計(jì)算方法，希望能夠給以后我國的水利行業(yè)工作者提供一些參考。

關(guān)鍵詞：水利工程? 滲流計(jì)算? 方法? 防滲設(shè)計(jì)

Analysis of Seepage Calculation Method in Hydraulic Engineering Design

WANG Wen

（Sichuan Communication Surveying & Design Institute Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province， 610017 China）

Abstract： Seepage is the movement of water in soil pores， and the shape， size and distribution of soil pores are very complex and random. However， in practical engineering， it is not necessary to understand the seepage in specific pores， but to use some statistical average value to describe the seepage， that is， the simplified seepage model is used to replace the actual seepage. Seepage calculation is the most commonly used in the process of hydraulic engineering design. By analyzing the purpose and theory of seepage calculation， this paper deeply understands the seepage calculation method in hydraulic engineering design， hoping to provide some references for water conservancy workers in China in the future.

Key Words： Hydraulic engineering; Seepage calculation; Method; Anti seepage design

在20世紀(jì)20年代的時(shí)候人們開始對滲流進(jìn)行研究，在研究的過程中很多學(xué)者都獲得了大量的研究成果，而這些研究成果都為以后的水利工程設(shè)計(jì)中的滲流計(jì)算方法奠定了一個(gè)扎實(shí)的基礎(chǔ)。

1滲流計(jì)算目的與理論

水利工程設(shè)計(jì)進(jìn)行的時(shí)候如果出現(xiàn)滲流問題，就會引發(fā)一系列的問題出現(xiàn)，第一就是出現(xiàn)一定的滲漏損失;第二就是會影響到整個(gè)水利工程滲透的穩(wěn)定性[1];第三就是會有一些其他的影響，例如，因?yàn)樗こ痰耐馏w本身滲透性比較強(qiáng)，如果出現(xiàn)問題就會影響到整個(gè)土體的固結(jié)，嚴(yán)重的時(shí)候還會讓整個(gè)水利工程出現(xiàn)延期的情況發(fā)生。

1.1水利工程設(shè)計(jì)中滲流計(jì)算的目的

水利工程設(shè)計(jì)中的滲流計(jì)算主要目的有以下幾種：首先就是要確定壩體浸潤線的位置;其次就是要通過計(jì)算了解滲透的壓力和流速情況[2];根據(jù)滲流計(jì)算的結(jié)果來了解整個(gè)壩體的滲流量，最后就是要確定水利工程滲流的穩(wěn)定情況。

1.2水利工程設(shè)計(jì)中滲流計(jì)算的相關(guān)理論理論

1.2.1達(dá)西定律

法國研究者師達(dá)西在研究的過程中通過大量滲透實(shí)驗(yàn)的分析，最終得出關(guān)系即滲流量和截面面積、水頭耗損之間呈正比例關(guān)系[3];滲流量和滲徑尺寸之間呈反比例關(guān)系。在滲流計(jì)算中可以把這些關(guān)系帶入到土粒構(gòu)造和流體特性中。

1.2.2滲流連續(xù)方程

滲流連續(xù)方程就是指通過質(zhì)量守恒定律來對能夠壓縮的土體滲流進(jìn)行引證，在研究的過程中流動(dòng)狀態(tài)和支配條件被設(shè)為初始條件，邊界條件和初始條件被設(shè)為定解條件，定解條件能夠直接決定整個(gè)水利工程流動(dòng)的過程。

2對滲流計(jì)算產(chǎn)生影響的因素

2.1普通水利工程

普通水利工程的滲流計(jì)算產(chǎn)生影響的因素主要有以下幾種。

第一種：首先就是臨水的地方需要采用高水位，背水的地方需要采用相應(yīng)水位，這種采用方法的主要目的包括：首先就是能夠?qū)Ρ乘乱莩鳇c(diǎn)和逸出位置進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出來的結(jié)果在后續(xù)工作中能夠發(fā)揮出非常重要的作用;其次就是能夠更好地確定背水坡面的浸潤線;最后就是能夠?yàn)橐院蟮姆罎B工作奠定一個(gè)扎實(shí)的基礎(chǔ)。

第二種：當(dāng)臨水側(cè)為高水位，背水坡無水或者是低水位的時(shí)候，采用這種計(jì)算方法的主要目的是能夠?yàn)橛?jì)算出背水坡的浸潤線提供一個(gè)計(jì)算的參考。

第三種：當(dāng)出現(xiàn)洪水降落情況的時(shí)候，整個(gè)計(jì)算的效果會非常的不理想，這個(gè)時(shí)候要想進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算工作只能選擇最小值平均值來完成計(jì)算[4]。

2.2特殊水利工程

特殊水利工程的滲流計(jì)算產(chǎn)生影響的因素主要有以下幾種。

第一種：水利水電工程的蓄水速度超出標(biāo)準(zhǔn)要求的時(shí)候，水位上升的速度會非?？欤@個(gè)時(shí)候就會嚴(yán)重影響上游壩坡的穩(wěn)定，嚴(yán)重的時(shí)候還會出現(xiàn)不均勻沉降的情況發(fā)生，最終讓整個(gè)工程出現(xiàn)裂縫和滑坡的情況。

第二種：水利水電工程在施工的時(shí)候有時(shí)還會出現(xiàn)孔隙水壓力的問題，出現(xiàn)這種問題的原因主要有以下幾種：首先就是在填筑的過程中速度過快導(dǎo)致的剪應(yīng)力增加;其次就是含水量增加了孔隙的水壓力，最終引發(fā)滑坡現(xiàn)象[5]。

3.滲流計(jì)算的常用方法

3.1水力學(xué)解法

水利工程設(shè)計(jì)中最常用的滲流計(jì)算方法就是水力學(xué)解法，在計(jì)算的時(shí)候通過流體力學(xué)計(jì)算方法的幫助來形成一種假設(shè)的條件，然后根據(jù)流體力學(xué)的規(guī)定來對實(shí)際情況進(jìn)行處理，在用水力學(xué)解法計(jì)算的時(shí)候需要注意以下事項(xiàng)：當(dāng)滲透系數(shù)的差距比較小的時(shí)候可以把這個(gè)滲透差距作為一層進(jìn)行處理，同時(shí)也可以成為以后研究加權(quán)均衡滲透系數(shù)的主要依據(jù)[6]。

3.2有限元解法

水利工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用有限元解法的時(shí)候要有以下幾個(gè)步驟。首先是要構(gòu)建一個(gè)符合實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型。計(jì)算的邊界條件包括：水頭邊界條件、流量邊界條件、混合邊界條件。最后就是要做好有限元的計(jì)算流程，在計(jì)算工作進(jìn)行的時(shí)候要及時(shí)的做好邊界條件輸入工作。

4案例分析

4.1計(jì)算水利工程設(shè)計(jì)中斷面及選擇參數(shù)

壩址區(qū)覆蓋層廣泛分布，由第四系全新統(tǒng)近代沖積堆積層、現(xiàn)代沖積堆積層和人工堆積層組成;下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組粉砂質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、粉砂巖。

根據(jù)某工程的地質(zhì)情況和水工建筑物的布置，防滲設(shè)計(jì)以閘基設(shè)置帷幕灌漿的防滲方案，帷幕灌漿底高程為373.0m。閘基防滲設(shè)計(jì)工況為上游正常蓄水位426m，下游無水402m，水頭差為14.0m。對該方案采用了加拿大巖土軟件開發(fā)商GEO-SLOPE軟件SEEP/W模塊進(jìn)行了二維滲流計(jì)算分析，閘基滲透比降和單寬滲流量如圖1所示。

4.2結(jié)論

（1）根據(jù)滲流分析結(jié)果，通過防滲處理后各層地基滲透比降均滿足允許比降要求。

（2）閘基單寬滲流量（4.38×10-6m3/s）很小，滿足工程正常運(yùn)行需要。

因此，采用以上防滲設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。

5結(jié)語

綜上所述能夠發(fā)現(xiàn)：水利工程設(shè)計(jì)中的滲流計(jì)算結(jié)果和整個(gè)水利工程的質(zhì)量有著密不可分的關(guān)系，要想更好地發(fā)展我國的水利工程就需要認(rèn)真做好計(jì)算工作，這樣不僅能夠提高整個(gè)水利工程的施工安全，還能為以后的水利水電工作的順利發(fā)展奠定一個(gè)扎實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]孔洋，阮懷寧.單節(jié)理巖體滲流應(yīng)力耦合特性研究進(jìn)展與分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2017，36（11）：111-120.

[2]王發(fā)強(qiáng)，王麗峰，傅霞婷，等.ANSYS熱分析在土壩多種防滲方案比較中的應(yīng)用[J].中國水運(yùn)（下半月），2017，17（11）：175-176，184.

[3]王一凡，徐毓威，曾俊，等.基于PEST的高壩樞紐區(qū)巖體穩(wěn)態(tài)滲流場反演分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2021（5）：193-199.

[4]王琛，王維平，徐巧藝，等.考慮防滲帷幕的平原水庫滲流分析大井法研究[J].人民黃河，2021，43（6）：122-126.

[5]時(shí)剛，朱邦華，張玉蓉.循環(huán)荷載作用下考慮Hansbo滲流的飽和黏土固結(jié)分析[J].力學(xué)與實(shí)踐，2021，43（1）：26-37.

[6]徐長峰，趙楠，王建軍，等.基于CFD的注采管柱接頭修復(fù)膠液滲流規(guī)律研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2021，17（7）：22-27.

中圖分類號：TV551.4 DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2109-5640-9750

作者簡介：王文（1988-），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樗\(yùn)及水利工程。